【摘 要】
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随着先进多媒体的应用和海量设备的接入,对无线容量及频谱效率的需求迅速提高。由3GPP LTE-A提出的非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)已成为5G/B5G提高频谱效率、用户访问能力和用户公平性的关键技术。另外,协作通信技术能够有效提高通信范围及系统分集增益;因此本文将NOMA与协作通信技术相结合,重点对协作NOMA技术展开研究。为不断提高系统分
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随着先进多媒体的应用和海量设备的接入,对无线容量及频谱效率的需求迅速提高。由3GPP LTE-A提出的非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)已成为5G/B5G提高频谱效率、用户访问能力和用户公平性的关键技术。另外,协作通信技术能够有效提高通信范围及系统分集增益;因此本文将NOMA与协作通信技术相结合,重点对协作NOMA技术展开研究。为不断提高系统分集增益,本文对用户中继、单个专用中继及多中继形式的协作NOMA系统展开研究;针对这些协作NOMA系统中存在的相关问题,为进一步提高系统的通信可靠性及吞吐量,本文提出了新的协作NOMA系统,即能量自循环全双工中继协作NOMA系统、增量中继协作NOMA系统和包括窃听者的多中继协作NOMA系统及增强物理层安全的中继选择(Relay Selection,RS)机制。然后对提出的系统分别进行了性能分析与验证。具体研究工作及成果如下:针对用户中继协作NOMA系统中,能量对用户中继工作时长的制约及全双工模式下回路干扰信号对系统性能影响的问题,提出了基于能量自循环中继的协作系统,中继收集源自基站发送的专用信号的能量,同时收集利用回路干扰信号的能量。分析了该系统分别采用DF、AF与QMF中继时的中断性能与延时受限模式下的系统吞吐量,并进一步求出了近端用户与远端用户的分集阶数。系统性能仿真结果表明所提出的基于能量自循环中继的协作NOMA系统能有效利用回路干扰信号,提高了协作NOMA系统中用户的中断性能、分集增益与吞吐量。针对半双工模式下传统协作NOMA系统信道自由度低导致频谱效率下降的问题,本文提出了基于增量中继的协作NOMA系统。全面分析了该系统的中断性能,推导出了系统中两个NOMA用户中断概率的闭式解表达式和延时受限模式下系统吞吐量表达式,并进一步求出了用户的分集阶数。另外将传统协作NOMA系统性能的分析作为基于增量中继的协作NOMA系统性能的对比基准。系统性能仿真结果表明:与传统的协作NOMA系统性能相比,基于增量中继的协作系统中远端用户的中断性能有明显提升;在低SNR条件下,基于增量中继的协作系统中近端用户的中断性能及延时受限模式下系统的吞吐量也有明显提高;即提出的基于增量中继的协作系统能有效提升系统频谱效率、用户的中断性能及系统吞吐量。针对多中继协作NOMA系统中物理层安全问题,提出了存在窃听者的多中继协作NOMA系统,并为提高系统安全中断性能提出了两阶段中继选择(Two-stage Relay Selection,TRS)及最优中继选择(Optimal Relay Selection,ORS)机制。推导出了该系统在TRS/ORS机制下的安全中断概率闭式解及系统安全分集阶数。分析了随机中继选择(Random Relay Selection,RRS)机制下该系统的安全中断性能,将其作为TRS与ORS机制下系统性能的对比基准。系统的安全性能仿真结果表明:基于提出的TRS及ORS机制,所提出的多中继协作NOMA系统的安全中断性能及安全分集增益随着中继数量的增加而提高,即显著提高了系统安全分集增益及安全中断性能。
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